山谷中一株毒草，经过原料采集、提取制备、过滤浓缩、结晶纯化、干燥粉碎等生产工艺，方能得到血根碱。为什么人们愿意如此大费周章？这源于血根碱强大的药理性，它具备抗菌活性和抗肿瘤潜力，还以强大的杀虫功效有望应用于农药生产，同时也是植物性牲畜饲料添加剂的关键成分。
血根碱效用明显，但由于其具有复杂的平面共轭结构，血根碱生产仍然依赖于多年生草本植物（如博落回）的提取。那有没有办法通过合成生物学，告别植物提取，合成血根碱呢？
近日，浙江大学化学工程与生物工程学院、我院合成生物研究所连佳长研究员团队开发了一种基于内含肽介导的温度响应型基因表达系统（SIMTeGES），并实现了用高度工程化的酵母细胞工厂完全生物合成血根碱及其卤化衍生物，为利用酵母作为生物制造各种苄基异喹啉生物碱及其衍生物的可扩展平台提供了蓝图。相关成果发表在《Nature Communications》。
合成血根碱，
需要解决哪些难题
血根碱的合成难度主要有两点：一是生物合成途径复杂，二是强大的细胞毒性对生物制造构成挑战。
“血根碱的合成复杂在于途径很长，仅植物来源就有15步催化途径。假设每次的催化效率是80%，经过15次催化，我们只能得到约3.5%（0.815）的催化效果，”连佳长介绍到，“就和人走路一样，路程越远消耗越大。”
其中，还有6步涉及细胞色素P450酶。这种酶在血根碱等植物天然产物合成发挥关键作用，但在微生物里存在表达差、活性低等公认的挑战。通路基因表达水平的不平衡会导致通路中间体和分流副产物的积累，合成难度加大。
另一方面，由于血根碱是广谱抗菌剂，对酵母有相对较大的细胞毒性。“一些‘身强力壮’的细胞小兵冲上去，却被毒性杀死，反而是表现一般的细胞因此存活下来，这就构成了细胞生长与产物合成之间的矛盾。毒性负担太大会导致菌株退化，合成水平下降。”连佳长说道。
考虑到合成生物学工具的可用性、植物源性酶功能表达的优势以及在牲畜饲料工业中的广泛应用，酿酒酵母是大规模发酵生产血根碱的首选底盘细胞。连佳长说：“酿酒酵母是模式微生物，操作起来简单便捷。加之酿酒酵母抽提物本身就可以作为饲料添加剂，那么未来应用到食品、洗护品（如漱口水）、牲畜饲料添加剂等方向上也更加安全。”
温度响应系统，
为合成优选“天赐良机”
团队研究亮点是开发了一种基于内含肽介导的温度响应型基因表达系统（SIMTeGES），它能精确和动态地控制异源途径基因，使用温度作为输入信号来解耦细胞生长与血根碱生物合成，在不牺牲蛋白质活性的情况下将细胞生长与产物合成分离。
“酵母的最佳生长温度是30°C，而植物来源天然产物合成的最佳温度一般是25°C。在团队开发的温度响应系统下，温度为30°C时适合细胞生长；等温度降下来后更适合产物合成，”连佳长解释道，“细胞生长与产物合成阶段原本存在此消彼长的矛盾，利用温度响应系统，能实现细胞生长与产物合成的有效平衡。”
值得一提的是，利用科创中心搭建的超大规模合成生物学自动化装置（iBioFoundry），团队从大规模文库里鉴定了血根碱外排的转运蛋白，这能有效降低血根碱在胞内积累造成的细胞毒性，进一步提高产量。
谈及应用，连佳长表示，现在农业和水产养殖中多使用抗生素来治疗预防细菌感染和促进农产品生长，滥用之下就产生了耐药性。血根碱是一种良好的替抗产品，未来考虑在降低成本的前提下，将合成得到的血根碱作为饲料添加剂，或可在农业领域实现广泛的应用。此外，研究也为利用酵母作为生物制造各种苄基异喹啉生物碱及其衍生物的可扩展平台提供了新的思路。
